비문학 지문의 배경지식이 없을 때 - 기술 지문 특집
안녕하세요 독서 칼럼 쓰는 타르코프스키입니다.
비문학 지문을 읽을 때, 배경지식을 가진 분야의 지문만 나왔으면 좋겠지만, 세상 일이 항상 그렇게 쉬운 게 아닙니다… 수능은 어떤 지문이 나올지 아무도 모르기에 모든 경우의 수를 대비해야죠!
저는 배경지식이 생소한 글을 읽을 때 ‘시각화’가 포인트라고 말합니다. 지문에 있는 설명을 읽고 최대한 머릿속으로 애니메이션을 그려보는 거죠. 예를 들면 유튜브 영상 같은 데에서 쉬운 설명을 위해 애니메이션을 넣죠? 글을 최대한 애니메이션으로 변환하는 연습을 해두면, 생소한 분야의 글도 어렵지 않게 다룰 수 있답니다.
참고할 자료를 가져와 봤습니다. 기술, 공학 분야에서는 Paul evans의 The Engineering Mindset이라는 유튜브 채널이 있는데요, 구독자가 무려 365만 명이고, 출제될 만한 기술, 공학의 원리들을 무척 잘 설명하는 채널입니다. 트랜지스터의 작동원리에 관한 아래 영상은 무려 1800만명이 시청했다고 하네요. 수능 국어에서도 당연히 직간접 출제될 수 있는 내용이고, 교양인으로서 알아두는 것도 좋으니 시청을 권합니다.
아무튼 우리는 텍스트를 통해서 위 영상과 같은 시각적인 시뮬레이션을 해야 하는데요. 위 채널이 함께 운영하는 사이트에 귀한 정보들이 많습니다. 이미 출제된 자동차 엔진, 가스 센서, 반도체, CPU, 배터리 등에 대한 정보를 쉽게 얻을 수 있습니다.
오늘은 많은 분들에게 생소할 분야의 지문 몇 건을 가져와봤습니다. ‘시각화’에 집중하면서 아래 글들을 독해해보세요.
(지문 아래의 선택지들은 모두 잘못된 추론입니다)
(예시문제 1)
태양 전지판(solar panels)은 광전 효과(photovoltaic effect)라는 물리적 원리에 기반하여 작동한다. 이는 반도체 물질 내부에서 전자가 여기(excitation)되어 빛 에너지가 전기 에너지로 변환되는 과정을 말한다. 광자(photons)라 불리는 빛의 입자가 태양 전지의 표면에 충돌하면, 전자에게 에너지를 전달하여 전자가 원자 결합으로부터 이탈하고 정공(holes)을 남긴다. 이러한 현상은 주로 인(phosphorus)으로 도핑된 N형 반도체와 붕소(boron)로 도핑된 P형 반도체가 접합된 PN 접합부에서 발생한다. PN 접합의 공핍 영역(depletion region)에 형성된 내부 전기장은 전하 운반자의 분리를 촉진하여 전자를 N형 층으로, 정공을 P형 층으로 이동시킨다. 외부 회로가 제공되면 이러한 전자들이 도체를 통해 흐르며 전지의 반대편에서 정공과 재결합하여 직류(DC) 전기를 생성한다. 태양 전지의 효율은 실리콘의 밴드갭 에너지와 같은 요인에 의해 영향을 받으며, 이는 전기로 변환될 수 있는 광자 에너지의 범위를 결정한다. 밴드갭보다 높은 에너지를 가진 광자는 초과 에너지를 열로 소산시키고, 불충분한 에너지를 가진 광자는 전자를 밴드갭 너머로 여기시키지 못한다. 반사 손실과 온도 상승 또한 전체 효율을 저하시킬 수 있다. 다수의 태양 전지를 연결하여 태양 모듈을 형성하고, 이 모듈들을 직렬 또는 병렬로 연결해 태양 어레이를 구성하여 다양한 응용 분야에 필요한 전압과 전류를 달성한다. 직류 전기를 교류 기기에 활용하려면 인버터를 사용하여 DC를 AC로 변환해야 한다. 그리드 연결 시스템에서는 잉여 에너지를 전력망에 재공급할 수 있지만, 독립형 시스템은 배터리 저장과 충전 컨트롤러에 의존해 에너지 공급과 수요를 관리한다. 태양 전지판의 방향과 기울기는 에너지 흡수를 최대화하기 위해 태양의 방위각과 고도를 신중히 분석해야 하며, 태양 추적 시스템을 통해 이를 최적화할 수 있지만 비용이 증가한다. 단결정, 다결정, 박막 전지 등 다양한 태양 전지 유형은 결정 구조와 제조 공정의 차이로 인해 서로 다른 효율과 비용을 나타낸다. 단결정 전지는 단일 결정 구조로 제작되어 15-19%의 높은 효율을 제공하나 비용이 높고, 다결정 전지는 여러 결정립으로 구성되어 13-17%의 효율로 비교적 저렴하게 생산되며, 비정질 실리콘을 사용한 박막 전지는 유연성과 저렴한 가격이 장점이나 5-8%의 낮은 효율을 보인다. 광전 효과는 약 1.1 전자볼트의 실리콘 밴드갭 에너지를 초과하는 에너지를 가진 광자의 흡수에 의존하며, 초과 에너지는 열로, 밴드갭을 넘지 못하는 파장의 빛은 전기 생성에 기여하지 못한다. 인버터 비효율성과 전기 배선 저항으로 인한 추가 손실도 발생한다. (https://theengineeringmindset.com/solar-panels-explained/) 참조 및 재구성 |
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(연습문제 2)
온도 측정 기술의 진화는 현대 시스템의 자율 제어에 필수적인 요소로 확고히 자리 잡았다. 전통적인 액체 팽창식 온도계(liquid expansion thermometer)의 한계를 극복하기 위해, 다양한 물리적 원리를 활용한 첨단 센서 기술이 개발되었다. 대표적인 예로는 열전대(thermocouple), 저항 온도 검출기(RTD, Resistance Temperature Detector), 그리고 서미스터(thermistor)가 있다. 먼저, 열전대는 제벡 효과(Seebeck effect)를 이용하여 온도 차이에 의해 생성되는 미세한 전압을 측정하는 방식이다. 이 전압은 서로 다른 금속 간의 전자 흐름 특성 차이로 인해 나타나며, 정확한 온도 측정을 위해서는 차가운 접합부의 온도에 대한 보상이 필요하다. 저항 온도 검출기는 온도 변화에 따른 물질의 전기 저항 변화를 이용하며, 이는 옴의 법칙(V=IR)으로 정량화된다. 백금과 같이 저항-온도 관계가 거의 선형인 물질을 사용함으로써 높은 정확도를 유지하며, 온도 상승에 따른 원자 진동의 증가로 인한 전자 흐름 방해를 측정한다. 서미스터는 온도 변화에 따라 저항이 크게 변하는 열 저항기로, 음의 온도 계수(NTC)와 양의 온도 계수(PTC)로 분류된다. NTC 서미스터는 온도 상승 시 저항이 감소하는데, 이는 증가된 열 에너지로 인해 더 많은 전자가 전도대로 이동하기 때문이다. 반면, PTC 서미스터는 온도의 상승에 따라 저항이 증가하여 금속과 유사한 특성을 보인다. 각 센서의 유형은 고유한 장단점을 가지고 있어, 응용 분야의 특성에 따른 적절한 선택이 필요하다. 열전대는 넓은 온도 범위와 견고성을 제공하지만 복잡한 보정이 필요할 수 있으며, RTD는 높은 정확도와 안정성을 제공하나 비용과 취약성이 단점이 될 수 있다. 서미스터는 높은 감도와 비용 효율성을 제공하지만 비선형 응답으로 인해 복잡한 신호 처리가 요구될 수 있다. 이러한 센서들의 근본적인 작동 원리를 이해하는 것은 산업 공정에서 소비자 전자제품에 이르기까지 다양한 분야에서의 효과적인 온도 모니터링 시스템 구축에 필수적이다. 결과적으로, 적절한 온도 센서의 선택은 작동 환경, 요구되는 정확도, 그리고 각 센서 유형의 물리적 원리를 종합적으로 고려하여 이루어져야 한다. (https://theengineeringmindset.com/temperature-sensors-explained/) |
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(연습문제 3)
트랜지스터(transistor)는 현대 전자공학의 근간을 이루는 핵심 소자로서, 회로 내에서 전기 신호의 제어와 변조를 담당하는 스위치 및 증폭기의 역할을 수행한다. 이 소자는 크게 바이폴라 접합 트랜지스터(BJT)와 장 효과 트랜지스터(FET)로 대별되며, 본 논문에서는 전자인 바이폴라(양극성) 접합 트랜지스터에 초점을 맞추어 논의를 전개할 것이다. 바이폴라 트랜지스터는 이미터(emitter), 베이스(base), 컬렉터(collector)라 명명되는 세 단자로 구성되며, 각 단자의 고유한 기능은 소자의 작동 메커니즘에 있어서 근본적이다. 베이스에 전압이 인가되지 않은 상태에서는 컬렉터와 이미터 간의 전류 흐름이 차단되어 개방 스위치로 기능하나, 통상 0.6~0.7볼트의 미소 전압이 베이스에 인가될 경우 컬렉터-이미터 간 대전류의 흐름을 허용하여 폐쇄 스위치나 증폭기로 작동한다. 이러한 증폭 능력은 베이스의 미소 입력 전류가 컬렉터-이미터 간의 대전류를 제어하는 데서 기인하며, 이를 전류 이득(β)으로 정량화할 수 있다. 트랜지스터의 구조는 실리콘과 같은 반도체 재료에 불순물을 첨가하여 전자가 풍부한 N형 영역과 정공이 풍부한 P형 영역을 형성함으로써 구현된다. 이러한 영역의 접합부에서는 전자와 정공의 재결합으로 인해 공핍 영역이 형성되며, 이는 0.7볼트의 장벽 전위로 작용한다. 바이폴라 트랜지스터는 NPN형과 PNP형의 두 가지 주요 구성으로 존재하며, 각각 P형 물질이 두 N형 층 사이에 위치하거나 그 반대의 구조를 가진다. 이들의 작동 원리는 전류 흐름과 바이어스 요구사항 측면에서 상이하다. 트랜지스터의 내부 작동 원리는 수력학적 비유를 통해 쉽게 이해할 수 있는데, 제어 파이프의 미소 유량이 주 파이프의 대유량을 조절하는 방식과 유사하게 베이스 전류의 미세한 변화가 컬렉터-이미터 간 대전류를 제어한다. 물리적 구현에 있어서 트랜지스터는 다양한 전력 수준을 처리할 수 있도록 설계되며, 저전력 소자는 수지로 캡슐화되고 고전력 소자는 방열판이 부착된 금속 케이스로 제작된다. 트랜지스터의 식별은 본체에 인쇄된 부품 번호를 통해 이루어지며, 이는 제조업체가 제공하는 데이터시트와 연계되어 최대 전압 및 전류 등의 전기적 특성을 상세히 제공한다. 트랜지스터의 작동을 분석함에 있어 관습적 전류 흐름(양극에서 음극으로)과 실제 전자 흐름(음극에서 양극으로)의 구분을 이해하는 것이 중요하며, 회로 설계 시에는 주로 관습적 전류 모델이 사용된다. 도핑을 통한 반도체 특성의 조작과 트랜지스터 단자에 인가되는 전압의 정밀한 제어를 통해 엔지니어들은 전기 전도성을 정확히 제어할 수 있다. (https://theengineeringmindset.com/transistor-explained-how-transistors-work/) |
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(연습문제 4)
전기 난방(Electric heating)은 줄 가열(Joule heating) 현상을 기반으로 널리 활용되는 기술로서, 전도체 내 전자와 원자의 충돌을 통해 운동 에너지를 열 에너지로 전환하는 원리를 이용한다. 발생하는 열의 양은 재료의 전기 저항, 전류의 세기, 그리고 전류 흐름 지속 시간에 비례하며, 니크롬선(nichrome wire)과 같은 고저항 재료는 충돌 빈도로 인해 열 발생량이 증대된다. 또한, 전기 저항은 전자의 자유로운 이동을 저해하는 지표로, 높은 저항은 열 생산량 증가를 뜻한다. 도선의 물리적 특성, 예컨대 길고 얇은 도선은 짧고 굵은 도선보다 높은 저항을 가지며, 전력 배전 케이블이 열 손실을 최소화하기 위해 굵게 설계되는 이유가 여기 있다. 이 원리는 주전자, 토스터, 헤어드라이어 등 가전제품에서부터 전기 샤워기, 팬 히터, 바닥 난방, 동결 방지 시스템 등 정교한 난방 장치 설계에 이르기까지 광범위하게 적용된다. 바닥 난방 시스템은 난방 케이블을 넓은 면적에 분산 배치하여 낮은 작동 온도와 균일한 열 분포를 가능케 하며, 이는 기존 라디에이터보다 우수한 열적 쾌적성을 제공한다. 예를 들어, 1제곱미터 난방 매트는 약 13미터 길이의 246옴 저항 케이블로 구성되어 230볼트 전원에 연결 시 0.935암페어의 전류를 사용하며, 215와트의 전력이 소비되고 5시간 작동 시 1.07킬로와트시의 열에너지를 생성한다. 전기 난방 케이블은 또한 파이프의 동결 방지에 활용되며, 난방 요소와 온도 센서, 서모스탯의 조합으로 자동 제어되어 동결점 이상의 온도를 유지한다. 산업 환경에서 장거리 파이프의 일정 온도 유지는 필수적이기에, 열 손실을 보완하여 필요한 온도를 확보한다. 자가 조절 난방 케이블은 온도 변화에 따라 팽창, 수축하는 전도성 코어를 통해 열 출력을 자동으로 조절하여 과열을 방지하고 온도를 일정하게 유지한다. 이러한 시스템들은 복잡한 배관이 불필요해 설치가 용이하며, 다양한 형태와 크기에 적용 가능하고, 전기에너지의 열 변환 효율이 거의 100%에 달한다. 재생 에너지 사용 시 탄소 배출이 없다는 장점도 있다. 전기 난방은 지붕의 눈 하중 완화와 농업 분야의 동상 방지 등 다양한 용도로 활용되며, 가정 및 산업 현장에서 신속하고 정밀한 온도 제어가 가능한 난방 솔루션을 제시한다. 안전성 측면에서는 마그네슘 산화물과 스테인리스강 등의 절연 재료와 보호 케이싱을 통해 전기적 위험을 방지하면서 열 전달 효율을 극대화한다. |
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솔직히 비문학 기술지문특히
모르겠으면 그려보거나
대가리로 상상하면서 읽으면
그나마 이해가좀됨